一種模擬隧道突水的可視化模型試驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于隧道工程地質(zhì)災(zāi)害模型試驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及一種模擬隧道突水的可視化模型試驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著交通和水利水電重大基礎(chǔ)設(shè)施工程的建設(shè)，我國已成為世界上隧道修建規(guī)模與難度最大的國家。特別是隨著重大工程建設(shè)重心向地形地質(zhì)極端復(fù)雜的西部山區(qū)與巖溶地區(qū)轉(zhuǎn)移，正在或即將修建大量的高風(fēng)險(xiǎn)深長隧道工程，建設(shè)過程中極易遭遇突水重大災(zāi)害，嚴(yán)重影響了隧道工程建設(shè)安全。
[0003]隧道是一個(gè)長條形地下建筑物，沿線工程地質(zhì)條件復(fù)雜，施工過程中經(jīng)常會(huì)遇到巖溶或斷層破碎帶等富水構(gòu)造，在控水構(gòu)造和高水壓力作用下，隧道開挖擾動(dòng)易誘發(fā)突水災(zāi)害。目前國內(nèi)外對(duì)突水機(jī)理的研宄側(cè)重于災(zāi)變的發(fā)生條件和影響因素，并逐步認(rèn)識(shí)到隧道掌子面與致災(zāi)構(gòu)造之間防突巖體結(jié)構(gòu)的重要性。但由于突水災(zāi)變過程的非線性和強(qiáng)復(fù)雜性特征，災(zāi)變演化規(guī)律不清楚，其災(zāi)害發(fā)生機(jī)理難以突破。因此，亟待研宄強(qiáng)富水條件下隧道突水災(zāi)變演化機(jī)理與圍巖破裂行為，揭示防突巖體結(jié)構(gòu)破壞突水效應(yīng)與漸進(jìn)演化過程。目前關(guān)于研宄水壓、防突巖體物理力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)特征等與防突厚度關(guān)系的研宄鮮見報(bào)道，特別是定量研宄隧道突水的模型試驗(yàn)尚不多見，對(duì)于隧道突水災(zāi)害臨突判據(jù)和最小安全厚度分析方法的研宄，缺乏專業(yè)的試驗(yàn)裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種模擬隧道突水的可視化模型試驗(yàn)裝置，通過進(jìn)水管和透明的模型箱以及監(jiān)控裝置，一邊模擬滲水一邊檢測(cè)突水通道的形成狀況，并了解相關(guān)信息，解決現(xiàn)有技術(shù)中缺乏實(shí)驗(yàn)裝置的問題。
[0005]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]一種模擬隧道突水的可視化模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括透明的模型箱、水箱、收集裝置和監(jiān)控裝置；長方體的模型箱箱體密封，箱體內(nèi)填充有流固耦合相似材料；模型箱通過進(jìn)水管與水箱連接；
[0007]模型箱包括箱體和可拆卸的箱體上蓋，該箱體上蓋與箱體之間密封；進(jìn)水管從箱體一側(cè)的中心伸入；箱體另一側(cè)位于收集裝置上方；箱體內(nèi)側(cè)均勻設(shè)置有一組U型的玻璃隔擋，所述玻璃隔擋上布置有若干透水孔，該透水孔的開孔方向與進(jìn)水管進(jìn)水方向相同；
[0008]進(jìn)水管由水箱接出，依次連接控制閥和高壓水泵，最后伸入模型箱箱體；
[0009]收集裝置包括水量和充填物流失收集容器以及數(shù)顯電子秤，所述水量和充填物流失收集容器置于數(shù)顯電子秤上；
[0010]監(jiān)控裝置包括設(shè)置在模型箱內(nèi)腔的滲壓傳感器、微型土壓力傳感器、光纖光柵位移傳感器和位于箱體外的數(shù)字照相非接觸量測(cè)系統(tǒng)。
[0011]進(jìn)一步的，本發(fā)明包括一個(gè)流量計(jì)；高壓水泵提供的高壓水通過流量計(jì)后進(jìn)入模型箱中。流量計(jì)能夠直觀的掌握進(jìn)入水箱的水量，達(dá)到測(cè)量進(jìn)水量的目的。
[0012]進(jìn)一步的，模型箱采用鋼化玻璃制作而成，模型箱箱體與上蓋之間通過橡膠密封墊密封，并通過螺栓固定。通過鋼化玻璃可以更加直觀地觀察突水過程中防突巖體的漸進(jìn)性破壞過程。玻璃箱體上蓋可以拆卸，便于材料的填充，同時(shí)采用橡膠密封墊保證了密封效果，防止實(shí)驗(yàn)過程滲水。
[0013]進(jìn)一步的，進(jìn)水管伸入箱體的進(jìn)水管末端，包括一個(gè)花灑狀出水口，該出水口端面均勻布置有出水小孔。花灑結(jié)構(gòu)保證了高壓水出水均勻，使水能夠均勻的滲流。
[0014]進(jìn)一步的，模型箱通過一個(gè)鋼架支座支撐。鋼架支座使得整個(gè)模型箱固定。其下方采用水量和充填物流失收集容器進(jìn)行實(shí)時(shí)收集，且收集容器直接放在數(shù)顯電子秤上，每1s讀取一次數(shù)據(jù)，可對(duì)試驗(yàn)過程中水和流失顆粒的重量進(jìn)行實(shí)時(shí)稱量。
[0015]進(jìn)一步的，一組玻璃隔擋為均勻布置的五道隔擋，所述隔擋橫截面是邊長為20mm的正方形；隔擋上分布若干透水孔，其孔徑為2mm。箱體內(nèi)的玻璃隔擋，可模擬一定水壓下不同防突巖體厚度的突水情況。另外，玻璃隔擋起到兩方面作用:一方面可防止高壓水作用下流固耦合材料和玻璃箱體間摩擦力過小而發(fā)生整體滑動(dòng)，有利于突水通道的形成；另一方面通過在隔擋上設(shè)計(jì)若干透水孔，可實(shí)現(xiàn)高壓水的順暢滲流。
[0016]有益效果:
[0017](I)模型箱主體采用透明的鋼化玻璃，可以更加直觀地觀察突水過程中防突巖體的漸進(jìn)性破壞過程。玻璃箱體上蓋可以拆卸，便于材料的填充，同時(shí)采用橡膠密封墊保證了密封效果。
[0018](2)箱體內(nèi)的玻璃隔擋，可模擬一定水壓下不同防突巖體厚度的突水情況。另外，玻璃隔擋起到兩方面作用:一方面可防止高壓水作用下流固耦合材料和玻璃箱體間摩擦力過小而發(fā)生整體滑動(dòng)，有利于突水通道的形成；另一方面通過在隔擋上設(shè)計(jì)若干透水孔，可實(shí)現(xiàn)高壓水的順暢滲流。
[0019](3)該模型可以定量研宄水壓、防突巖體物理力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)特征與防突厚度的相關(guān)關(guān)系，通過多種工況的模擬試驗(yàn)，可建立隧道突水災(zāi)害臨突判據(jù)和最小安全厚度分析方法。
[0020](4)模型中采用非接觸數(shù)字照相量測(cè)系統(tǒng)，并采用相應(yīng)的后處理分析軟件，實(shí)現(xiàn)隧道突水過程中位移場(chǎng)的全場(chǎng)監(jiān)控。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明整體俯視示意圖；
[0023]圖3為進(jìn)水管構(gòu)造示意圖
[0024]圖4為玻璃隔擋構(gòu)造示意圖；
[0025]圖5為整個(gè)裝置的三維構(gòu)造示意圖；
[0026]圖中，1-模型箱；2_水量和充填物流失收集容器；3_高壓水泵；4_進(jìn)水管；5_流量計(jì)；6_玻璃隔擋；7_流固耦合相似材料；8_控制閥；9_滲壓傳感器；10-微型土壓力傳感器；11-光纖光柵位移計(jì)；12_出水口 ； 13-透水孔；14-橡膠密封墊；15_螺栓；16_水箱；17-數(shù)顯電子秤；18-鋼架支座。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0028]如圖1、圖2、圖3和圖4所示，一種模擬隧道突水的可視化模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括透明的模型箱1、水箱16、收集裝置和監(jiān)控裝置；長方體的模型箱I箱體密封，箱體內(nèi)填充有流固耦合相似材料7 ;模型箱I通過進(jìn)水管4與水箱16連接；
[0029]模型箱I包括箱體和可拆卸的箱體上蓋，該箱體上蓋與箱體之間密封；進(jìn)水管從箱體一側(cè)的中心伸入；箱體另一側(cè)位于收集裝置上方；如圖4所示，箱體內(nèi)側(cè)均勻設(shè)置有一組U型的玻璃隔擋6，所述玻璃隔擋6上布置有若干透水孔13，該透水孔13的開孔方向與進(jìn)水管4進(jìn)水方向相同；
[0030]所述進(jìn)水管4由水箱16接出，依次連接控制閥8和高壓水泵3，最后伸入模型箱I箱體；
[0031]所述收集裝置包括水量和充填物流失收集容器2以及數(shù)顯電子秤17，所述水量和充填物流失收集容器2置于數(shù)顯電子稱17上；
[0032]所述監(jiān)控裝置包括設(shè)置在模型箱I內(nèi)腔的滲壓傳感器9、微型土壓力傳感器10、光纖光柵位移傳感器11和位于箱體外的數(shù)字照相非接觸量測(cè)系統(tǒng)。
[0033]進(jìn)一步的，一個(gè)流量計(jì)5 ;高壓水泵3提供的高壓水通過流量計(jì)5后進(jìn)入模型箱I中。高壓水泵提供的高壓水通過流量計(jì)后進(jìn)入模型箱中。流量計(jì)能夠直觀的掌握進(jìn)入水箱的水量，達(dá)到檢測(cè)水量的目的。
[0034]進(jìn)一步的，模型箱I采用鋼化玻璃制作而成，模型箱I箱體與上蓋之間通過橡膠密封墊14密封，并通過螺栓15固定。通過鋼化玻璃可以更加直觀地觀察突水過程中防突巖體的漸進(jìn)性破壞過程。玻璃箱體上蓋可以拆卸，便于材料的填充，同時(shí)采用橡膠密封墊保證了密封效果，防止實(shí)驗(yàn)過程滲水。
[0035]如圖3所示，進(jìn)水管4伸入箱體的進(jìn)水管4末端，包括一個(gè)花灑狀出水口 12，該出水口 12端面均勻布置有出水小孔?；⒔Y(jié)構(gòu)保證了高壓水出水均勻，使水能夠均勻的滲流。
[0036]進(jìn)一步的，模型箱I通過一個(gè)鋼架支座18支撐。鋼架支座使得整個(gè)模型箱固定。其下方采用水量和充填物流失收集容器進(jìn)行實(shí)時(shí)收集，且收集容器直接放在數(shù)顯電子秤上，每1s讀取一次數(shù)據(jù)，可對(duì)試驗(yàn)過程中水和流失顆粒的重量進(jìn)行實(shí)時(shí)稱量。
[0037]進(jìn)一步的，一組玻璃隔擋6為均勻布置的五道隔擋，所述隔擋橫截面是邊長為20mm的正方形；所述透水孔13孔徑為2mm。箱體內(nèi)的玻璃隔擋，可模擬一定水壓下不同防突巖體厚度的突水情況。另外，玻璃隔擋起到兩方面作用:一方面可防止高壓水作用下流固耦合材料和玻璃箱體間摩擦力過小而發(fā)生整體滑動(dòng)，有利于突水通道的形成；另一方面通過在隔擋上設(shè)計(jì)若干透水孔，可實(shí)現(xiàn)高壓水的順暢滲流。
[0038]一種模擬隧道突水的可視化實(shí)驗(yàn)方法，如圖5所示，定義該箱體上蓋一側(cè)為頂側(cè)，與頂側(cè)相對(duì)一側(cè)為底側(cè)，進(jìn)水一側(cè)為左側(cè)